Al-Mg合金汽車材深沖開裂問題的工藝研究

杜新偉

（乳源東陽光精箔有限公司，廣東 韶關(guān) 512700）

0 前 言

Al-Mg合金、Al-Mn合金屬于熱處理不可強(qiáng)化合金，以其強(qiáng)度適中、成型性好的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。隨著國(guó)家十二五戰(zhàn)略規(guī)劃的逐漸實(shí)施，節(jié)能減排的綠色環(huán)保汽車在行業(yè)比重中逐漸提升，節(jié)能的最有效方式就是減重，鋁合金零件取代鋼材零件的技術(shù)革新日趨成熟，尤其是Al-Mg合金，因其合金強(qiáng)度更高，綜合性能更好，在汽車隔熱板、車門材料、車體材料上廣泛應(yīng)用。汽車零件大部分都需要沖壓，因此沖壓性能好壞至關(guān)重要。除了本身的材料性能，適宜的加工工藝對(duì)于沖壓性能也存在較大影響。實(shí)際生產(chǎn)中曾發(fā)生5052合金（Al-Mg合金）汽車材沖壓開裂的現(xiàn)象（見圖1），經(jīng)過試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其主要原因是材料發(fā)生晶粒異常長(zhǎng)大，相對(duì)正常晶粒，其平均晶粒尺寸增大6倍左右，同時(shí)各晶粒之間尺寸差異較大，導(dǎo)致沖壓過程中變形嚴(yán)重不均勻而開裂（見圖2）。經(jīng)過分析材料發(fā)生晶粒異常的原因在于其加工工藝出現(xiàn)問題，臨界加工率狀態(tài)下進(jìn)行完全再結(jié)晶導(dǎo)致。加工率指的是材料再結(jié)晶退火之后經(jīng)過軋制后減薄厚度與原始厚度的比值，臨界加工率指的是鋁材的一個(gè)加工率臨界點(diǎn)或者較窄區(qū)間，鋁材經(jīng)過等于或者小于此加工率加工后進(jìn)行再結(jié)晶退火，材料性能、組織會(huì)發(fā)生明顯異變，并且隨著退火溫度的上升，異變程度逐漸增加。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證和金相分析可以得知，純鋁系、Al-Mn系、Al-Mg系合金均存在這一加工率。

圖1 沖壓開裂樣品實(shí)物圖

圖2 沖壓開裂樣品金相圖

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

采用半連續(xù)鑄軋生產(chǎn)的5052合金合金方錠，成分為表1中成分要求，鋸切為規(guī)格450×1180×5300mm鑄錠，成品規(guī)格0.5×1160mm×C。生產(chǎn)工藝流程為：熔煉-鑄造-銑邊-鋸切-銑面-均熱-熱軋-冷軋（①中退厚度0.65mm；②中退厚度0.75mm；③中退厚度0.90mm；④中退厚度1.0mm）-重卷（切邊+清洗）-中間退火-冷軋-取樣。

表1 5052合金各元素(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

1.2 試驗(yàn)方案

熱軋坯料厚度6.5mm，冷卻后轉(zhuǎn)冷軋軋制。不同狀態(tài)卷材工藝：熱軋坯料根據(jù)試驗(yàn)要求，預(yù)留不同加工率，即6.5mm熱軋坯料經(jīng)過冷軋軋制5～7個(gè)道次至厚度分別為0.65mm（23.1%預(yù)留）、0.75mm（33.3%預(yù)留）、0.9 mm（44.4%預(yù)留）和1.0 mm（50%預(yù)留）。上述各厚度坯料經(jīng)過清洗之后，進(jìn)行完全再結(jié)晶退火，退火工藝：350℃×2h。退火后，再由四重不可逆冷軋機(jī)統(tǒng)一軋制至成品厚度0.5mm。將不同加工率的帶材樣板進(jìn)行完全再結(jié)晶退火試驗(yàn)，退火溫度選擇350oC、450℃兩個(gè)溫度點(diǎn)，退火采用箱式空氣退火爐，100℃以下進(jìn)爐，隨爐0.5h升溫，到達(dá)工藝溫度后保溫4h。

對(duì)退火后樣板進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)與金相組織檢測(cè)。力學(xué)性能采用拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，金相組織采用陽極覆膜的方式，覆膜液配比：H3PO438%，H2SO443%, H2O 19%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 加工率與退火溫度對(duì)5052合金完全再結(jié)晶組織和性能影響

厚度為6.5mm的熱軋板由四重不可逆冷軋機(jī)軋制成0.65～1.0mm不同厚度中間道次卷材，經(jīng)過350℃×2h中間退火，再次軋制至成品厚度為0.5mm卷材，分別取樣后進(jìn)行小爐退火，退火工藝350℃×4h，450℃×4h，其性能指標(biāo)見表2、表3。從表2發(fā)現(xiàn)，樣品在經(jīng)過23.1%加工率變形后進(jìn)行350℃×4h退火后，其抗拉強(qiáng)度性能相對(duì)正常O態(tài)5052合金性能下降8～10MPa，延伸率下降2～3MPa，樣品在經(jīng)過33.3%、44.4%、50%加工率變形后進(jìn)行350℃×4h退火后，其性能指標(biāo)與正常料保持一致，強(qiáng)度指標(biāo)、延伸率指標(biāo)穩(wěn)定。升高退火溫度至450℃后，23.1%加工率樣品強(qiáng)度繼續(xù)降低6MPa，延伸率進(jìn)一步降2%。其他加工率樣品抗拉強(qiáng)度與延伸率指標(biāo)基本保持與正常性能一致。

從圖3發(fā)現(xiàn)，23.1%加工率樣品經(jīng)過350℃×4h退火后晶粒尺寸發(fā)生明顯增大，相對(duì)于正常晶粒，平均晶粒尺寸增大約5倍。同時(shí)各晶粒之間尺寸存在差異，部分晶粒尺寸較大，部分較小，但整體增長(zhǎng)明顯。從圖4發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過450℃×4h退火后23.1%加工率樣品晶粒尺寸繼續(xù)增大，基本增大到正常尺寸的10倍。從圖5至圖10發(fā)現(xiàn)，其他加工率的樣品在350℃×4h和450℃×4h退火后晶粒尺寸未發(fā)生明顯變化。

2.2 臨界加工率現(xiàn)象分析

從上述實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，Al-Mg合金（包含其他金屬材料）在某一加工率冷變現(xiàn)后，在隨后的再結(jié)晶退火中出現(xiàn)晶粒粗大，使得材料的塑性與強(qiáng)度大幅度降低，給后續(xù)加工帶來困難。而高于這一加工率，材料進(jìn)行再結(jié)晶退火時(shí)，晶粒尺寸與力學(xué)性能基本不產(chǎn)生變化，這一加工率一般稱為臨界加工率。臨界加工率下材料晶粒變大的常用解釋為以下兩種：（1）臨界加工率下，材料經(jīng)過的軋制道次少，晶粒破碎不明顯，再結(jié)晶晶核偏少，從而導(dǎo)致后續(xù)的再結(jié)晶過程中晶粒持續(xù)長(zhǎng)大而出現(xiàn)大晶粒[1]；（2）臨界加工率下，材料再結(jié)晶晶粒相對(duì)高加工率晶粒生長(zhǎng)迅速，導(dǎo)致晶粒度變大[2]。

350℃×4h退火過程中，溫度相對(duì)較低，晶粒生長(zhǎng)屬于擇優(yōu)生長(zhǎng)，故出現(xiàn)晶粒尺寸普遍增大，但尺寸不一的狀況；隨著退火溫度升高，350℃×4h退火過程中，晶粒發(fā)生持續(xù)長(zhǎng)大，則大晶粒會(huì)逐漸吞并小晶粒，造成全部都是大尺寸晶粒的現(xiàn)象。

對(duì)于這一問題的深層次原因，也有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，金屬發(fā)生臨界變形時(shí)，變形以晶間變形為主，變形過程中，材料的晶粒之間發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，晶粒位相發(fā)生變化，晶粒之間的位相差發(fā)生變化，有的變小，甚至趨于零，有的變大。位相差為零后，位相完全相同，再結(jié)晶退火時(shí)，晶界消失，兩晶粒合并，成為粗大晶粒。位相差很小時(shí)候，呈現(xiàn)粗大亞晶結(jié)構(gòu)。位相差變大時(shí)，晶界與晶粒內(nèi)部的應(yīng)力隨之增大，結(jié)晶動(dòng)力增大。再結(jié)晶退火時(shí)，原有的晶格被破壞，產(chǎn)生出新的晶粒。

臨界加工率之下，材料在結(jié)晶退火會(huì)發(fā)生明顯的晶粒長(zhǎng)大、塑性降低現(xiàn)象，故會(huì)在沖壓過程中發(fā)生開裂現(xiàn)象。不同合金的臨界加工率會(huì)有所不同，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該避免在臨界加工率范圍加工沖壓產(chǎn)品。

表2 不同加工率狀態(tài)下350℃×4h退火后性能

表3 不同加工率狀態(tài)下450℃×4h退火后性能

圖3 23.1%加工率350℃×4h

圖4 23.1%加工率450℃×4h

圖5 33.3%加工率350℃×4h

圖6 33.3%加工率450℃×4h

圖7 44.4%加工率350℃×4h

圖8 44.4%加工率450℃×4h

圖9 50%加工率350℃×4h

圖10 50%加工率450℃×4h

4 結(jié)論

（1）Al-Mg合金（5052合金作為代表）存在臨界加工率現(xiàn)象，其臨界點(diǎn)在25%加工率附近，超過這一加工率，材料完全再結(jié)晶退火不會(huì)產(chǎn)生性能與組織的明顯變異，低于這一加工率，材料完全再結(jié)晶退火后，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度與塑性降低，晶粒增大的趨勢(shì)，導(dǎo)致深沖過程中產(chǎn)生開裂。

（2）Al-Mg合金（5052合金作為代表）臨界加工率之下進(jìn)行高溫完全再結(jié)晶退火（450℃）后，材料的強(qiáng)度與延伸率相對(duì)低溫完全再結(jié)晶退火（350℃）進(jìn)一步下降。晶粒尺寸進(jìn)一步長(zhǎng)大，并趨向一致，全部為大尺寸晶粒。

（3）臨界加工率之下，材料在結(jié)晶退火會(huì)發(fā)生明顯的晶粒長(zhǎng)大、塑性降低現(xiàn)象，故會(huì)在沖壓過程中發(fā)生開裂現(xiàn)象，不同合金的臨界加工率會(huì)有所不同，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該避免在臨界加工率范圍加工沖壓產(chǎn)品。

[1] 陳炎嗣，郭景儀.沖壓磨具與設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：北京出版社，1991

[2] 宋維錫.金屬學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1980